無創(chuàng)傷脈搏血氧飽和度測量技術(shù)的研究進展

無創(chuàng)傷脈搏血氧飽和度測量技術(shù)的研究進展

1血氧飽和度的測量20世紀初，關(guān)于無創(chuàng)動脈血氧飽和度的監(jiān)測技術(shù)開始了。根據(jù)拉赫-韋爾伯特貝爾伯特的原理，測量血氧飽和度的分光光度法通?？煞譃橥干涔舛确ê头瓷涔舛确?。在1929年前,美國生理學家GlenMillian開始研究血紅蛋白血氧反應,并用“血氧計(Oximeter)”一詞來描述血氧飽和度儀,稱之為“在需要穿透血管的情況下,連續(xù)測量人體內(nèi)動脈血氧飽和度的一種光電測量儀器”。到20世紀三、四十年代后期,各種血氧監(jiān)測的技術(shù)開始大量涌現(xiàn),但在那時,血氧飽和度儀并沒有獲得實際的應用。在20世紀50年代Wood和Coworker描述了一種無創(chuàng)傷檢測血氧飽和度的方法,1964年ShawR研制出一種八波長自身調(diào)整血氧計,成為第一種獲得臨床廣泛應用的血氧計,如HP47201A型耳血氧計。1974年世界上第一臺脈搏血氧飽和度(SpO2)儀OLV5100問世。1982年,Nellcor研制出一種性能更好的脈搏血氧飽和度儀N-100,并形成了一種標準模式——利用發(fā)光二極管作為光源、光敏二極管或光敏三極管作為光傳感器、微型計算機進行信息處理。到20世紀80年代中期,Jobsis、WyattJS及DelpyDT都在研究透射模式的腦血氧監(jiān)測裝置,并初步用于早產(chǎn)兒及新生兒的臨床監(jiān)護。以上所介紹的測量血氧飽和度的方法都是透射光法。但由于透射型血氧儀的光傳感器安放的位置比較單一,不可能監(jiān)測人體多個部位的血氧飽和度(如前額、胸部、背部等部位),尤其是對新生兒和胎兒血氧的監(jiān)測等方面有其自身的局限性,因此在探索透射型血氧儀的同時,有很多的科研機構(gòu)和研究人員開始了對反射型血氧儀的研究。1949年,Brinkman和Ziljstra報告了血紅素反射型血氧計的使用;1962年,Polayi和hehir使用光導纖維,用選定的二個光波長照射血流,用反射光確定血氧飽和度公式,測量體內(nèi)血氧飽和度,建立了現(xiàn)代反射型血氧計測量的基礎(chǔ);1975年,Ronald等人描述了一種眼睛血氧計;1980年,Takatani等人描述了一種多波長的非損傷性反射型血氧計;進入20世紀90年代,MoCormick利用反射光譜及獨特的深淺雙光路對比檢測的傳感器設(shè)計,完成了可實用化的腦血氧飽和度測量裝置的研制,最新的有關(guān)反射型血氧飽和度計的報告是MendelsonY等人在2002年所描述的一種多波長和特別的傳感器結(jié)構(gòu)的反射型血氧飽和度計?？偟膩碚f,相對于透射型(傳輸型)血氧計,在實踐中的反射型血氧計的臨床數(shù)據(jù)的報告比較少,無論從傳感器的設(shè)計,軟硬件結(jié)構(gòu),還是測量方法等方面值得進一步的探索。2血氧飽和度的測定—無創(chuàng)傷脈搏血氧飽和度測量的基本原理目前血氧飽和度儀的測量方法主要是紅外光譜光電法,SpO2是根據(jù)血紅蛋白(Hb)具有光吸收的特性(如圖1所示)設(shè)計而成。HbO2與HbR的分子可吸收不同波長的光線:HbO2吸收紅光,波長為600nm~700nm,而HbR吸收近紅外光,波長為800nm~1000nm,在805nm左右為等吸收點。根據(jù)分光光度計比色原理,一定量的光線傳到分光光度計探頭,光源和探頭之間隨著動脈搏動性組織而吸收不同的光量(無搏動的皮膚和骨骼則無吸收光量的作用)。搏動性組織吸收的光量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?傳入血氧飽和度儀,通過模擬計算機以及數(shù)字微處理機,將光強度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為搏動性的SpO2百分比值。依據(jù)郎伯———比爾定律原理和光散射理論為基礎(chǔ),在透射光法中,如果選用兩個波長的光(通常是660nm和940nm)作為探測源并分別測定兩路透射光最大強度Irdmax和Iirdmax以及由于脈搏搏動而引起透射光強最大變化量△Irdmax和△Iirdmax,通過數(shù)學計算可得到如下的公式:,其中A,B是通過定標來確定的經(jīng)驗系數(shù)。在反射光法中,根據(jù)文獻報道,血液在波長660nm附近和900nm附近反射之比(ρ660/900)最敏感地反映出血氧飽和度的變化,臨床一般血氧飽和度儀也采用該比值作為變量,而血氧飽和度隨該參量變化的規(guī)律為S=f(ρ660/900);作為基本關(guān)系模式,在同樣條件下測定被監(jiān)測血液的(ρ660/900)即可確定血液的氧飽和度,即:SpO2=A+B(ρ660/900)+C(ρ660/900)2+D(ρ660/900)3,如圖2所示,其中A,B,C,D是需要通過定標來獲得的常數(shù)。一般來講,SpO2儀包括光電感應器、微處理機和顯示部分三個主要部件。3無創(chuàng)傷脈血氧飽和度測量的技術(shù)進步3.1光反射傳感器現(xiàn)用的光反射性脈搏血氧飽和度儀的主要原理是通過傳感器局限性地從體表低密度血管分布區(qū)域記錄相對較弱的光體積描記圖(PPGs)。如果設(shè)計一種能在身體不同部位探測到足夠強的反射光體積描記圖,并利用特殊的運算處理較弱的和經(jīng)常受干擾的PPGs,這樣光反射性脈搏血氧飽和度儀的本質(zhì)可得到完全改變?，F(xiàn)用的光傳感器是由一個單獨的光探測器,以及檢測經(jīng)皮膚的反射光和一對紅光和紅外光的發(fā)光雙極體(LEDs)組成。此類傳感器依賴于探頭接觸的解剖組織結(jié)構(gòu)的位置,如果傳感器的位置與組織之間發(fā)生變異,就會導致很大的誤差。為捕捉到大部分的反向散射波,光探測器必須能探測到從中心區(qū)域發(fā)射的光,據(jù)此就設(shè)計出一種新型的光反射傳感器,包括三個LEDs和兩個連續(xù)光探測環(huán),對稱性、等距離的排列在LEDs的中心位置。這種新配置與現(xiàn)用的傳統(tǒng)光探測器相比,能更全面地探測到光體積描記圖。多個光探測器的結(jié)構(gòu)雖然復雜些,但可加強搜集遠離光探測儀區(qū)域的額外反向散射波的能力。多波長的新型傳感器具有獨特的幾何學結(jié)構(gòu),改進辨別光射的能力,排除人為移動或高敏性所致的相對較弱的光體積描記圖,由此可提高氧飽和度讀數(shù)的精確性,也是將來用于臨床監(jiān)測新生兒和胎兒SpO2的重要儀器。3.2氧飽和度選通轉(zhuǎn)換dst技術(shù)Masimo信號萃取技術(shù)與傳統(tǒng)方法不同。壓力相對較低的靜脈血對病人活動時所產(chǎn)生干擾影響相當敏感。以手指為例,血管床內(nèi)的靜脈血在病人活動時很容易發(fā)生變化,而形成生理信息所在頻帶內(nèi)的明顯噪聲。另外,靜脈血是一種很強的光吸收劑,因此,當病人活動時,靜脈血對總光強度可產(chǎn)生明顯噪聲源影響。如果能測定噪聲基準,就可以采用自調(diào)諧噪聲消除器來處理相應于靜脈血噪聲源的影響。在生理信號中可檢測到紅光強度Ird與紅外線強度Iir,分別由有用信號部分(Srd,Sir)及無用信號部分(Nrd,Nir)組成。在氧飽和度儀中通常理解為:這兩個有用信號部分(Srd,S1r)彼此間成正比,其比值即為動脈光強度比Ra。因此,從紅光產(chǎn)生的生理信號中,減去紅外光產(chǎn)生的生理信號與動脈光強度之比的乘積,其結(jié)果就包含僅有噪聲部分的基準信號,即為噪聲基準信號N。氧飽和度選通轉(zhuǎn)換(DST)技術(shù),能夠?qū)⑾鄳趧用}氧飽和度的光強度比(Ra)與相應于靜脈氧飽和度估計值的光強度比(Rv)區(qū)分開來,隨后計算出這兩個光強度比(Ra和Rv)。由光強度比的每一個選定值,計算出相應的基準信號,再由自調(diào)諧噪聲消除器進行處理。Masimo萃取技術(shù)的過程可歸納為:①對相應于氧飽和度1%到100%的每一個光強度比進行掃描;②通過每一個光強度比計算基準信號;③對每一個基準信號測定自調(diào)諧噪聲消除器的輸出功率;④在DST圖上確定相應于動脈氧飽和度的“峰”(最大SpO2值)。MasimoSET氧飽和度儀利用Masimo萃取技術(shù),不需要先提取或決定生理信息中離散的動脈氧飽和度數(shù)據(jù),就可以計算出動脈氧飽和度值,并與心率的計算無關(guān)。它的另一個優(yōu)點是:數(shù)據(jù)尚未清晰時就可以啟動。因此,即使在開機前病人已有活動,仍然能夠監(jiān)測出動脈氧飽和度和心率。3.3血從蛋白吸收血從檢測血身份的方法CO氧飽和度是指氧飽和度儀測得的COHb(碳氧血紅蛋白)和MetHb(正鐵血紅蛋白)值。其設(shè)置包括光源、含有試管的溶血設(shè)備、光纖維和分光計,使光集中在試管上的透鏡。光射經(jīng)過試管以后,經(jīng)由光纖維傳導至分光計,直接通向一個凹型電極并通向由128個排列成的電極管組。血球蛋白是可吸收光的有色蛋白質(zhì)。各血球蛋白通過不同方式吸收光線,用Beer定律可得知其明確的濃度,即單個化合物所測得的吸光率與該化合物濃度和經(jīng)由樣本的光線波長成正比。根據(jù)多波長的檢測原理,增多的波長提供了一個連續(xù)的光譜,使氧飽和度儀測定COHb和MetHb成為可能,并且可更精確地測定氧飽和度值。另外可以去除干擾物質(zhì)如含硫血紅蛋白和胎兒血紅蛋白,使測定血膽紅素值成為可能。這樣就可提供更高性能的脈搏血氧飽和(SpO2)儀,提供更有價值的監(jiān)測依據(jù)。4無創(chuàng)傷脈血氧飽和度儀的應用和未來規(guī)劃4.1sp0監(jiān)測目前,脈搏血氧飽和度的監(jiān)測已在手術(shù)室、監(jiān)護室、急救病房、患者的術(shù)后恢復和呼吸睡眠的研究以及社區(qū)醫(yī)療監(jiān)護等方面得到廣泛的應用。在麻醉、手術(shù)以及PACU和ICU大量臨床應用資料表明,及時評價血氧飽和度和/或亞飽和度狀態(tài),了解機體氧合功能,盡早發(fā)現(xiàn)低氧血癥,足以提高麻醉和危重病人的安全性;盡早探知SpO2下降可有效預防或減少圍術(shù)期和急癥期的意外死亡。據(jù)統(tǒng)計,單獨應用SpO2儀可減少40%的麻醉意外,如果與CO2監(jiān)測儀并用則可減少91%的麻醉意外。在手術(shù)室,脈搏血氧飽和度儀可以進行連續(xù)氧合估計,特別在對危重病人和不易通氣的手術(shù)中,它能夠快速提供信息。SpO2作為一種無創(chuàng)、反應快速、可靠的連續(xù)監(jiān)測指標,已得到公認,目前已推廣到小兒病人的呼吸循環(huán)功能監(jiān)測,特別對新生兒、早產(chǎn)兒的高氧血或低氧血癥的辨認尤其敏感。因此,連續(xù)監(jiān)測SpO2不僅可及時發(fā)現(xiàn)低氧血癥,正確評價新生兒的氣道處理與復蘇效果,更可以設(shè)置SpO2高限報警以提供高氧血癥預報,從而可為新生兒的監(jiān)護和治療提供重要信息。在其他領(lǐng)域中,SpO2監(jiān)測也能發(fā)揮重要作用,例如在呼吸睡眠的研究中,可以通過對SpO2的監(jiān)測來判斷患者是否有睡眠呼吸暫停綜合癥或夜間低氧飽和度等情況;社區(qū)醫(yī)療的監(jiān)護過程中及時快速的對SpO2的監(jiān)測,對中風病人和心肌梗塞等患者的及時發(fā)現(xiàn)及時治療都有非常重要的意義。因此,脈搏血氧飽和度的監(jiān)測技術(shù)已成為現(xiàn)代醫(yī)療必不可少的監(jiān)測手段之一。4.2影響結(jié)果的因素鑒于工程技術(shù)上和生理學方面尚存在某些不足,SpO2儀在實際使用上尚存在某些局限性。(1)血紅蛋白異常該儀器只適用于測定HbO2和Hb。如果血液中出現(xiàn)某些病理情況,例如MetHb和CoHb濃度異常增高時,SpO2的讀數(shù)就會出現(xiàn)錯誤。(2)朗伯—比爾定律忽略組織和血液散射特性對入射光的影響,利用朗伯—比爾定律計算SaO2的脈搏血氧計,采用經(jīng)驗研究確定系數(shù)的方法會消除組織和血液散射特性對計算結(jié)果的影響。但是由正常人群得到的系數(shù)用于具有特殊光散射模式的病人測量時,就會造成較大誤差。(3)靜脈內(nèi)染料在搏動性血液中的任何物質(zhì)(例如亞甲藍幾靛胭脂靜脈注射)都可被660nm和940nm的光吸收,因此可影響SpO2的正確性。(4)活動性偽差病人活動時對信號的吸收會發(fā)生很大的波動,是最難以消除的偽差因素,尤其在恢復室或ICU使用時,幾乎可使SpO2失去應有的價值。(5)靜脈搏動SpO2監(jiān)測儀是以動脈血流搏動的光吸收率為依據(jù),但靜脈血流的光吸收也有搏動成分,由此可影響SpO2值,在靜脈充血時SpO2讀數(shù)往往偏低。(6)半影效應如果傳感器沒有正確放在手指或耳垂上,傳感器的光束通過組織就會擦邊而過,由此可產(chǎn)生“半影效應”,信號減少,噪聲比加大,SpO2值低于正常。因此當SpO2傳感器光源偏離正確位置時,對低氧血癥病人實際SpO2值的評估可能偏高或偏低,由此可產(chǎn)生誤差。(7)氧離曲線氧離曲線指出,SaO2與PaO2在一定范圍內(nèi)呈線性相關(guān)(PaO2>13.3kPa),氧離曲線呈平坦,因此,在高氧分壓下,SpO2不能準確反映PaO2,是由氧離曲線特性所決定的。另一方面,病情改變使氧離曲線左移或右移時,也可影響SaO2與PaO2的相關(guān)性。(8)實驗室的有效的模擬組織模型的建立還有待于進一步的完善。4.3檢測血cohb和methb的臨床信息目前,用紅外光譜光電法在無創(chuàng)測量血氧飽和度的應用方面已經(jīng)獲得較大的成功,脈搏血氧儀正處在大范圍普及及應用階段。但是,由于工程學和生理學存在一定的局限性,評價SpO2值的正確性和可靠性仍然是重要的研究課題。近年研究建立的多種波長光度測定理論與實踐,將打破目前利用紅光和紅外線兩種波長的局限性,使測定血COHb和MetHb值成為可能,從而可減少因COHb和MetHb濃度異常病理狀態(tài)所引起的S